通常而言，水在材料表面生成的冰相趨向于類似Ih冰相的六角結(jié)構(gòu)，而諸如四方、五角、七角、八角等特殊結(jié)構(gòu)則表征了固體表面的晶格結(jié)構(gòu)對(duì)冰相生長的影響。近年來，隨著海水過濾與淡化、海洋船舶的抗凍與減阻、材料表面吸附與潤濕等實(shí)際應(yīng)用的需求發(fā)展，鹽溶液在固液界面的冰相生長受到國內(nèi)外研究者們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。但是，由于離子-水分子-固體表面之間存在復(fù)雜的相互作用，離子如何影響冰相生長一直是相關(guān)研究中的難題。

針對(duì)以上問題，中國科學(xué)院上海高等研究院上海光源科學(xué)中心陳濟(jì)舸副研究員團(tuán)隊(duì)在受限條件下鹽溶液中菱形冰相的生長機(jī)制的研究工作中取得進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)通過第一性原理與經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬，從分子尺度上得到了兩類菱形冰相的形成條件，在統(tǒng)計(jì)物理框架下揭示了離子在固液界面的冰相生長中的重要影響。該研究成果以“Two Rhombic Ice Phases from Aqueous Salt Solutions under Graphene Confinement”為題，作為快報(bào)（Letter）發(fā)表在《物理評(píng)論E》（Physical Review E）上。

圖1：受限條件下的鹽溶液中形成的兩種菱形冰相。

陳濟(jì)舸長期從事納米流體的理論研究，在鹽溶液的結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)方面取得了一系列成果，提出離子的水合結(jié)構(gòu)在決定流體的局域粘度[1]、氣體吸附[2]，分子點(diǎn)群 [3-5]，擴(kuò)散系數(shù)[6, 7]的重要作用。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，受限條件下的冰相生長同樣依賴固體表面的晶格結(jié)構(gòu)[8]，而離子-水分子-固體表面的共同作用則導(dǎo)致冰相生長出不同的特殊結(jié)構(gòu)[9]。如圖1所示，受限在石墨烯之間的鹽溶液，隨著離子濃度變化，水分子圍繞離子形成兩類菱形冰相。它們具有相同的菱形結(jié)構(gòu)與熱力學(xué)性質(zhì)，但晶胞與石墨烯晶格存在不同的轉(zhuǎn)角，從而引起界面能和自由能的改變。該工作揭示了離子的水合結(jié)構(gòu)影響冰相生長的微觀機(jī)制。

該研究得到了上海市科委、中國科學(xué)院國際合作局、中國博士后研究計(jì)劃、上海電機(jī)學(xué)院學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目、上海光源數(shù)據(jù)中心、上海超算等的幫助支持。

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